特許 5954503 二次元及び三次元的ガス温度分布測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5954503

(24)【登録日】2016年6月24日

(45)【発行日】2016年7月20日

(54)【発明の名称】二次元及び三次元的ガス温度分布測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01K 3/14 20060101AFI20160707BHJP

   G01K 11/00 20060101ALI20160707BHJP

   G01N 21/27 20060101ALI20160707BHJP

【ＦＩ】

   G01K3/14

   G01K11/00

   G01N21/27 A

【請求項の数】4

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-544021(P2015-544021)

(86)(22)【出願日】2014年10月6日

(65)【公表番号】特表2015-537216(P2015-537216A)

(43)【公表日】2015年12月24日

(86)【国際出願番号】KR2014009388

(87)【国際公開番号】WO2015060563

(87)【国際公開日】20150430

【審査請求日】2015年3月30日

(31)【優先権主張番号】10-2013-0126027

(32)【優先日】2013年10月22日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】513269240

【氏名又は名称】コリア インスティチュート オブ インダストリアル テクノロジー

(74)【代理人】

【識別番号】100091683

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100179316

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 寛奈

(72)【発明者】

【氏名】リ，チャン−ヨプ

(72)【発明者】

【氏名】キム，セ−ウォン

【審査官】 深田 高義

(56)【参考文献】

【文献】 韓国公開特許第１０−２０１１−００７８２９０（ＫＲ，Ａ）

【文献】 韓国登録特許第１０−１１５９２１５（ＫＲ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｋ ３／１４

Ｇ０１Ｋ １１／００

Ｇ０１Ｎ ２１／２７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

（ａ）測定対象空間を制御部が二次元的に分割するが、互いに等しい面積をもつｎ^２個の領域に分割する段階と、
（ｂ）前記分割された測定対象空間のうち、発光側の最外郭に位置された分割空間Ａ１、Ａ４、Ａ７の発光点から受光側の最外郭に位置された分割空間Ａ３、Ａ６、Ａ９の受光点に向いて、１：ｎに対応するようにレーザー光を発光させて受光部で吸収信号を検出する段階と、
（ｃ）前記受光部で検出された吸収信号に基づき、制御部が直接吸収分光技法でｎ２個の吸光度の広さを演算する段階と、
（ｄ）前記演算された吸光度の広さに基づき、制御部が分割された測定対象空間の区間毎にレーザー光のｎ^２個の第１の線強度変化ａｉ＝Ｓ１（Ｔｉ）Ｘｉを、

【数1】

（Ａｓｉ：光透過経路毎の吸光度の広さ、Ｐ：測定対象空間内での圧力、Ｘａｂｓ：モル分率）の関数式から演算する段階と、
（ｅ）前記第１の線強度変化ａｉ＝Ｓ１（Ｔｉ）Ｘｉ） と、（ａ）段階から（ｄ）段階まで行って演算処理された他の波長帯域の第２の線強度変化ｂｉ＝Ｓ２（Ｔｉ）Ｘｉを有し、制御部が前記分割された測定対象空間の区間毎の温度を、

【数2】

の関数式から算出し、前記測定対象空間の二次元的温度分布をマッピング（ｍａｐｐｉｎｇ）する段階と、を含むことを特徴とする二次元的ガス温度分布測定方法。

【請求項2】

（ｆ）前記マッピングされた二次元的温度分布に基づき、制御部が前記分割された測定対象空間の区間毎の測定対象ガスのモル分率（ｍｏｌｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ）を算出し、二次元的濃度分布をマッピングする段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の二次元的ガス温度分布測定方法。

【請求項3】

（ａ’）測定対象空間を制御部が分割するが、互いに等しい体積をもつｎ^３個の空間に分割する段階と、
（ｂ’）前記分割された測定対象空間のうち、発光側の最外郭に位置された分割空間Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ１０、Ａ１１、Ａ１２、Ａ１９、Ａ２０、Ａ２１の発光点から受光側の最外郭に位置された分割空間Ａ７、Ａ８、Ａ９、Ａ１６、Ａ１７、Ａ１８、Ａ２５、Ａ２６、Ａ２７のうち、同一の高さにあるｎ個の受光点に向いて、１：ｎに対応するようにレーザー光を発光させて受光部で吸収信号を検出する段階と、
（ｃ’）前記受光部で検出された吸収信号に基づき、制御部が直接吸収分光技法でｎ^３個の吸光度の広さを演算する段階と、
（ｄ’）前記演算された吸光度の広さに基づき、制御部が分割された測定対象空間の区間毎にレーザー光のｎ^３個の第１の線強度変化ａｉ＝Ｓ１（Ｔｉ）Ｘｉを、

【数3】

（Ａｓｉ：光透過経路毎の吸光度の広さ、Ｐ：測定対象空間内での圧力、Ｘａｂｓ：モル分率）の関数式から演算する段階と、
（ｅ’）前記第１の線強度変化ａｉ＝Ｓ１（Ｔｉ）Ｘｉと、（ａ’）段階から（ｄ’）段階まで行って演算処理された他の波長帯域の第２の線強度変化ｂｉ＝Ｓ２（Ｔｉ）Ｘｉを有し、制御部が前記分割された測定対象空間の区間毎の温度を、

【数4】

の関数式から算出し、前記測定対象空間の三次元的温度分布をマッピングする段階と、を含むことを特徴とする三次元的ガス温度分布測定方法。

【請求項4】

（ｆ’）前記マッピングされた三次元的温度分布に基づき、制御部が前記分割された測定対象空間の区間毎の測定対象ガスのモル分率を算出し、三次元的濃度分布をマッピングする段階をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の三次元的ガス温度分布測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、二次元及び三次元的ガス温度分布測定方法に関するものであって、さらに詳しくは、二次元又は三次元的測定が難しい製鉄所の加熱炉のような構造物内でのガスの温度分布を測定するように方法を改善した二次元及び三次元的ガス温度分布測定方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

一般的に、製鉄所の加熱炉のような構造物内でのガス温度測定は、加熱炉内に設けられた温度測定装置により行われることになる。

【0003】

このような温度測定方法の一例が特許文献１等に開示されている。

【0004】

しかし、このような従来技術による温度測定方法では、温度測定装置が設けられる位置が加熱炉の壁体に限定され、設けられた位置でのみ温度を測定するため、加熱炉の内部全体でのガスの温度分布と濃度分布は測定が不可能になり得るという問題点がある。

【0005】

このような問題点を解決するために、最近になってはダイオードレーザーを用いた温度測定方法が導入されていることが実情である。

【0006】

しかし、従来のダイオードレーザーを用いた温度測定方法は、大半が線積分計測方式であって、ダイオードレーザーが通った長さの平均温度のみを測定することになるという限界を有している。

【0007】

このような限界を克服するために、最近は断面上の温度予測（ｐｒｏｆｉｌｅ ｆｉｔｔｉｎｇ）方法と温度分割（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｂｉｎｎｉｎｇ）方法が導入されている。

【0008】

しかし、断面上の温度予測方法は、一定空間内でのガスの温度分布を予め予測し、測定変数を減らすためのものであって、例えば、パイプの内部を介して高温の気体が流れる場合、パイプの中心での温度が最も高く、パイプの縁では熱伝達により温度が相対的に低くなる放物線状の温度分布を有するという仮定の下に行われることになる。これは、測定変数を減らし、測定システムを簡素化することができるが、それだけ測定値と実際ガスの温度分布との間に差が大きいため、測定の誤差が大きくなり、正確な測定を期待することができないという問題点がある。

【0009】

一方、温度分割方法は、測定温度の区間を予め予測し、その温度区間を任意に分けて測定変数を減らし、測定システムを簡素化するためのものであって、これは、ダイオードレーザーが通る線での線温度分布を予測することができるようにするが、二次元的温度分布を知るためには、二次元各々の方向に温度を測定しなければならないため、製鉄所の加熱炉のような構造物内では、二次元的温度分布の測定が不可能になり得るという問題点がある。

【0010】

また、従来の温度分割方法による温度測定方法は、温度の区間毎に温度が測定されても、測定された温度の位置を特定することができないため、温度の分布状態を把握することが難しくなることもあるという問題点がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】韓国特許公開番号第１０−２００５−００９５１５９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明の目的は、測定の誤差が最小化となり、正確な測定が行われることができる二次元及び三次元的ガス温度分布測定方法を提供することである。

【0013】

また、測定空間の制約なく、二次元又は三次元的測定が難しい製鉄所の加熱炉のような構造物内でもガスの温度分布を測定することができる二次元及び三次元的ガス温度分布測定方法を提供することである。

【0014】

さらに、測定対象の空間内で測定対象ガスの温度分布及び濃度分布の位置が正確に把握されることができる二次元及び三次元的ガス温度分布測定方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0015】

前記目的を達成するために、本発明による二次元的ガス温度分布測定方法は：（ａ）測定対象空間を制御部が二次元的に分割するが、互いに等しい面積をもつｎ^２個の面に分割する段階と、（ｂ）前記分割された測定対象空間のうち、発光側の最外郭に位置された分割空間Ａ１、Ａ４、Ａ７の発光点から受光側の最外郭に位置された分割空間Ａ３、Ａ６、Ａ９の受光点に向いて、１：ｎに対応するようにレーザー光を発光させて受光部で吸収信号を検出する段階と、（ｃ）前記受光部で検出された吸収信号に基づき、制御部が直接吸収分光技法でｎ^２個の吸光度の広さを演算する段階と、（ｄ）前記演算された吸光度の広さに基づき、制御部が分割された測定対象空間の区間毎にレーザー光のｎ^２個の第１の線強度変化ａｉ＝Ｓ１（Ｔｉ）Ｘｉを、

【0016】

【数1】

【0017】

（Ａ_ｓｉ：光透過経路毎の吸光度の広さ、Ｐ：測定対象空間内での圧力、Ｘ_ａｂｓ：モル分率）

【0018】

の関数式から演算する段階と、（ｅ）前記第１の線強度変化ａ_ｉ＝Ｓ_１（Ｔ_ｉ）Ｘ_ｉ と、（ａ）段階から（ｄ）段階まで行って演算処理された他の波長帯域の第２の線強度変化ｂ_ｉ＝Ｓ_２（Ｔ_ｉ）Ｘ_ｉを有し、制御部が前記分割された測定対象空間の区間毎の温度を、

【0019】

【数2】

【0020】

の関数式から算出し、前記測定対象空間の二次元的温度分布をマッピング（ｍａｐｐｉｎｇ）する段階とを含むことを特徴とする。

【0021】

ここで、本発明による二次元的ガス温度分布測定方法は、（ｆ）前記マッピングされた二次元的温度分布に基づき、制御部が前記分割された測定対象空間の区間毎の測定対象ガスのモル分率（ｍｏｌｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ）を算出し、二次元的濃度分布をマッピングする段階をさらに含むことが好ましい。

【0022】

一方、前記目的を達成するために、本発明による三次元的ガス温度分布測定方法は：（ａ’）測定対象空間を制御部が分割するが、互いに等しい体積をもつｎ^３個の空間に分割する段階と、（ｂ’）前記分割された測定対象空間のうち、発光側の最外郭に位置された分割空間Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ１０、Ａ１１、Ａ１２、Ａ１９、Ａ２０、Ａ２１の発光点から受光側の最外郭に位置された分割空間Ａ７、Ａ８、Ａ９、Ａ１６、Ａ１７、Ａ１８、Ａ２５、Ａ２６、Ａ２７のうち、同一の高さにあるｎ個の受光点に向いて、１：ｎに対応するようにレーザー光を発光させて受光部で吸収信号を検出する段階と、（ｃ’）前記受光部で検出された吸収信号に基づき、制御部が直接吸収分光技法でｎ^３個の吸光度の広さを演算する段階と、（ｄ’）前記演算された吸光度の広さに基づき、制御部が分割された測定対象空間の区間毎にレーザー光のｎ^３個の第１の線強度変化ａｉ＝Ｓ１（Ｔｉ）Ｘｉを、

【0023】

【数3】

【0024】

（Ａ_ｓｉ：光透過経路毎の吸光度の広さ、Ｐ：測定対象空間内での圧力、Ｘ_ａｂｓ：モル分率）

【0025】

の関数式から演算する段階と、（ｅ’）前記第１の線強度変化ａ_ｉ＝Ｓ_１（Ｔ_ｉ）Ｘ_ｉと、（ａ’）段階から（ｄ’）段階まで行って演算処理された他の波長帯域の第２の線強度変化ｂ_ｉ＝Ｓ_２（Ｔ_ｉ）Ｘ_ｉを有し、制御部が前記分割された測定対象空間の区間毎の温度を、

【0026】

【数4】

【0027】

の関数式から算出し、前記測定対象空間の三次元的温度分布をマッピングする段階とを含むことを特徴とする。

【0028】

ここで、本発明による三次元的ガス温度分布測定方法は、（ｆ’）前記マッピングされた三次元的温度分布に基づき、制御部が前記分割された測定対象空間の区間毎の測定対象ガスのモル分率を算出し、三次元的濃度分布をマッピングする段階をさらに含むことが好ましい。

【発明の効果】

【0029】

本発明によると、温度分布を予め予測するのではなく、実際の測定対象空間をダイオードレーザーで一次元的に測定し、測定対象ガスの二次元又は三次元的な温度分布及び濃度分布を把握するようにすることで、測定の誤差が最小化となり、正確な測定が行われるようにすることができる。

【0030】

また、ダイオードレーザーを用いて一次元的にのみ測定し、二次元又は三次元の測定が不可能な空間内のガスの温度分布を二次元又は三次元的にマッピングすることができるようになることで、測定空間の制約なく、二次元又は三次元的測定が難しい製鉄所の加熱炉のような構造物内でもガスの温度及び濃度分布を容易に測定することができる。

【0031】

さらに、測定対象空間内で測定対象ガスの温度分布及び濃度分布の位置が二次元又は三次元的に正確に把握されるようにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本発明による二次元及び三次元的ガス温度分布測定方法を行うための測定システムの制御ブロック図である。

【図2】図１の測定対象空間を二次元的に分割する一例を図示した図面である。

【図3】本発明によって受光部で検出されるレーザー光の波長による基準信号に対する吸収信号の一例を示すグラフである。

【図4】本発明による二次元的ガス温度分布測定方法の制御フロー図である。

【図5】本発明による三次元的ガス温度分布測定方法で、測定対象空間を三次元的に分割する一例を図示した図面である。

【図6】図５の測定対象空間で、レーザー光が発光及び受光される一例を図示した図面である。

【図7】本発明による三次元的ガス温度分布測定方法の制御フロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下では、添付された図面を参照し、本発明について詳しく説明する。

【0034】

本発明による二次元及び三次元的ガス温度分布測定方法を行うための測定システム１００は、図１に図示された通り、発光部１１０と、受光部１２０と、制御部１６０とを含む。

【0035】

発光部１１０は、図１に図示された通り、光信号を直進の形態で測定対象ガスに発光するものであって、レーザー光を発光するダイオードレーザー１１１と、レーザー光が逆方向に流れることを防ぐ第１のアイソレーター１１２と、レーザー光を所望の割合で分岐するカプラ１１３と、レーザー光の強度及び波長の変化を調節するダイオードレーザーコントローラ１１４とを有する。

【0036】

測定対象のガスは、一例として酸素（Ｏ_２）となり得る。

【0037】

ダイオードレーザー１１１は、ダイオードレーザーマウント１１６に連結されており、ダイオードレーザーコントローラ１１４の信号に応じてレーザー光を発光する。

【0038】

発光部１１０には、コリメーター（ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）が備えられる。このとき、コリメーターは光学ケーブルに沿って伝達された光が直進することができるようにするレンズであって、発光部１１０は光ケーブルを通過せず、ダイオードレーザー１１１からレーザーが直接発光する場合、コリメーターの構成が必要ではないこともある。

【0039】

ダイオードレーザーコントローラ１１４は、制御部１６０により作動制御され、ダイオードレーザー１１１の変化を調節する。このとき、ダイオードレーザーコントローラ１１４は温度と電流の大きさを変化させることによって、ダイオードレーザー１１１の強度及び波長、周波数、温度を変化させることができる。一方、ダイオードレーザーコントローラ１１４は、必要に応じては制御部１６０により作動制御されず、独立して作動制御されることもできる。

【0040】

これによって、ダイオードレーザーコントローラ１１４を用いて、ダイオードレーザー１１１の入力温度と電流を調節し、所望の波長のレーザー光を出力させることができる。

【0041】

一方、ダイオードレーザーコントローラ１１４と制御部１６０との間には、波形発生部１１５が備えられる。

【0042】

波形発生部１１５は、制御部１６０により作動制御され、レーザー信号の形状が多様に送出されるようにする。このような波形状としては、のこぎり波、三角波、四角波、サイン波、コサイン波又は任意の混合波等になり得る。波形発生部１１５は、必要に応じては制御部１６０により作動制御されず、独立して作動されることもできる。

【0043】

一方、第１のアイソレーター１１２及びカプラ１１３は、必須的なものではなく、状況に応じて省略されることもできる。

【0044】

本発明の一実施例として、発光部１１０は制御部１６０により作動制御される発光移送駆動部１１７に連結され、発光移送駆動部１１７により測定対象ガスが存在する測定対象空間の一側で上下または左右に往復移送可能に備えられることが好ましい。

【0045】

一方、また別の例として、発光移送駆動部１１７の構成なく、レーザー光を発光部１１０から必要な数だけ多数の本に分離し、測定対象空間を通るようにすることができる。または、発振経路は区別して備えるが、信号強度の維持のために、レーザー光の分離なく時間の間隔をおいて、必要な発振経路を循環して通るように構成することもできる。

【0046】

受光部１２０は、図１に図示された通り、発光部１１０から発光したレーザー光を受光して光信号を受信するように備えられたものであって、レーザー光が逆方向に流れることを防ぐ第２のアイソレーター１２１と、光信号を受信し、電気的な信号に変換して出力する光検出部１３０とを備える。

【0047】

これによって、ダイオードレーザー１１１から出力されたレーザー光が発光部１１０から発光し、測定対象空間を通過して受光部１２０を介して受光された後、光検出部１３０を介してレーザー光の強度変化が測定されることができる。このように測定されたレーザー光の強度変化は、後述する制御部１６０を介して演算処理され、測定対象空間内で分割された割り当て区間毎に温度測定が可能になるようにすることができる。

【0048】

つまり、本発明によると、一つのダイオードレーザー１１１を用いて、測定対象ガスの温度と濃度を同時に計測することができる。

【0049】

受光部１２０はコリメーターを備え、コリメーターは、測定対象ガスを通ってきた光信号を光学ケーブルを介して光検出部１３０に伝達する。このとき、コリメーターは光学ケーブルを使用しないシステムでは必要ではないこともある。

【0050】

本発明の一実施例として、図１及び図２に図示された通り、受光部１２０は制御部１６０により作動制御される受光移送駆動部１２３に連結され、受光移送駆動部１２３により測定対象ガスが存在する測定対象空間の他側で上下又は左右に往復移送可能に備えられることが好ましい。

【0051】

一方、また別の例として、発光部１１０のレーザー光の発振条件に合わせて、受光移送駆動部１２３の構成なく、レーザー光を受光部１２０から必要な数だけ分離して受信するようにすることができる。或いは、受信経路を区別して備え、信号強度維持のためにレーザー光の分離なく、時間の間隔をおいて必要な発振経路を循環し、通ってきた光信号を受信するように構成することもできる。

【0052】

制御部１６０は、図１に図示された通り、ロックイン増幅部１４０と、オシロスコープ１５０と、データ分析モジュールを備えたデータ分析器とを含む。

【0053】

ロックイン増幅部１４０は、受光部１２０から受信した吸収信号と、波形発生部１１５から受信した正弦波の信号を介して、吸収信号の形状に近い一次調和信号又は吸収中心波長で最高の高さを有する二次調和信号を抽出することができる。また、ロックイン増幅部１４０は、一部のノイズ信号を除去する。

【0054】

オシロスコープ１５０は、信号を容易に認知できるように画面に出力できるようにする。また、オシロスコープ１５０は、波形発生部１１５の信号、受光部１２０の光検出部１３０の信号、ロックイン増幅部１４０の信号等を肉眼で認知できるようにする。オシロスコープ１５０は、分析者の便利性の増大のためのものであって、必須の装置ではない。

【0055】

制御部１６０のデータ分析モジュールは、直接吸収分光技法により測定された信号を分析し、濃度値を格納する。このとき、データ分析モジュールは、直接吸収分光技法によって温度を分析する温度分析モジュールと、直接吸収分光技法によって濃度を分析する濃度分析モジュールとを備える。このような分析モジュールは、同一のハードウェア内でソフトウェア的に分離することができる。

【0056】

制御部１６０は、ダイオードレーザーコントローラ１１４及び波形発生部１１５を作動制御する。このとき、制御部１６０は、波形発生部１１５の波形発生を制御したり、ダイオードレーザーコントローラ１１４の温度／電流値を制御し、発光部１１０がレーザー光を発光するようにする。

【0057】

一方、本発明の一実施例として、制御部１６０は、図１に図示された通り、測定対象空間を仮想的に分割するときに分割される区間の個数の入力を受ける入力部１６１と、測定対象空間で測定対象ガスの二次元又は三次元的温度分布マッピング（ｍａｐｐｉｎｇ）と濃度分布マッピングをディスプレイするマッピング出力部１６３とをさらに含むことが好ましい。

【0058】

このような構成により、本発明による二次元的ガス温度分布測定方法を図１乃至図４を参照にして説明すると次の通りである。

【0059】

まず、二次元的に分割される測定対象空間２０の区間の個数が入力部１６１を介して入力されると、測定対象ガスが存在する測定対象空間２０を制御部１６０が仮想的に分割する（Ｓ１０）。

【0060】

このとき、本発明の一実施例として、図２に図示された通り、制御部１６０によって分割される測定対象空間２０は、互いに等しい面積をもつｎ^２個の区間に分けられるように分割されることが好ましい。ここで、ｎは自然数である。即ち、測定対象空間２０は、制御部１６０により４個、９個、１６個・・・等のように二次元的に分割される。

【0061】

これによって、図２に図示された通り、後述する吸光度の広さを求める数６での未知数Ｔ_ｉ、Ｘ_ｉの個数と吸光度の広さの演算個数が同じくなり、未知数の個数と方程式の個数が同じくなることによって、制御部１６０が測定対象空間２０内での温度分布と濃度分布を二次元的に容易に求めることができる。

【0062】

本発明の一実施例として、図２に図示された通り、測定対象空間２０は制御部１６０により３２＝９個に二次元的に分割され、９個の互いに等しい面積を有する区間に分けられたものとする。

【0063】

次に、段階１０で、二次元的に分割された測定対象空間のうち、発光側の最外郭に位置されたｎ個（例えば、ｎ＝３）の分割空間Ａ_１、Ａ_４、Ａ_７の何れか一つ（例えば、Ａ_１）の発光点１１０ａから受光側の最外郭に位置されたそれぞれの分割空間Ａ_３、Ａ_６、Ａ_９の受光点１２０ａに向いて１：ｎに対応する方式で発光側に該当するそれぞれの分割されたｎ個の空間の区間毎に残りの領域Ａ_４、Ａ_７でもそれぞれ発光部１１０からレーザー光Ｌを発光させ、受光部１２０で受光し、直線形態の一次元的吸収信号（レーザー光の強さ）を検出する（Ｓ２０）。

【0064】

このとき、本発明の一実施例として、発光点１１０ａは、発光部１１０が移動又は配置されてレーザー光Ｌが発振する位置であって、二次元的に分割された測定対象空間のうち、発光側の最外郭に位置された各分割空間の最外郭の境界線の中心部に該当し、受光点１２０ａは、受光部１２０が移動又は配置されてレーザー光Ｌが吸収される位置であって、二次元的に分割された測定対象空間のうち、受光側の最外郭に位置された各分割空間の最外郭の境界線の中心部に該当するようにすることが好ましい。すなわち、レーザー光Ｌは、発光側の最外郭の各分割空間の中心から受光側の最外郭の各分割空間の中心に向いて発光して受光されるようにすることが好ましい。

【0065】

段階２０で、発光部１１０から発光したレーザー光Ｌを受光部１２０で受光して一次元的吸収信号を検出すると、受光部１２０で検出された一次元的吸収信号に基づき、制御部１６０は光検出部１３０を介して直接吸収分光技法でｎ^２個の吸光度の広さを演算する（Ｓ３０）。

【0066】

吸光度の広さＡ_ｓは、レーザー光Ｌが発光し、受光部１２０で受光される間、測定対象空間で実際に発生した光吸収の損失量であって、図３に図示された通り、光波長による基準信号Ｓ_ｂに対する吸収信号Ｓ_ａの差異値の面積で演算される。従って、吸光度の広さＡ_ｓは、制御部１６０が光検出部１３０を介して、次の数式を適用して算出することになる。

【0067】

【数5】

Ａ_ｓ：吸光度の広さ、Ｓ_ａ：吸収信号、Ｓ_ｂ：基準信号、ν：波長

【0068】

一方、段階３０で、光検出部１３０を介して吸光度の広さが演算されると、制御部１６０は演算された吸光度の広さに基づき、二次元的に分割された測定対象空間２０の区間毎にレーザー光Ｌのｎ^２個の線強度変化を演算する（Ｓ４０）。

【0069】

本発明の一実施例として、制御部１６０が演算するレーザー光の線強度変化Ｓ_ｉ［Ｔ（ｘ）］は、次の関数式から演算されることが好ましい。

【0070】

【数6】

Ａ_ｓｉ：光透過経路毎の吸光度の広さ、Ｐ：測定対象空間内での圧力、Ｘ_ａｂｓ：モル分率

【0071】

このとき、測定対象空間内での圧力Ｐは、圧力計を介して測定されることができ、モル分率Ｘ_ａｂｓと、線強度変化Ｓ_ｉ［Ｔ（ｘ）］は未知数であって、関数式を介して求められることができる。特に、線強度変化Ｓ_ｉ［Ｔ（ｘ）］は温度のみの関数であるため、この値を知ることになると、温度Ｔを求めることができる。

【0072】

例えば、図２に図示された通り、測定対象空間２０を二次元的に９個の区間に分けた場合、レーザー光が通る長さｌ_ｉは、幾何学的方法で制御部１６０により求められることができる。測定対象空間２０の二次元的な横辺全長が１２ｍとすれば、ｌ_６は１２ｍを３で割った４ｍになる。

【0073】

図２に図示された通り、受光部１２０に向いて１：ｎに対応するようにそれぞれの方向にレーザー光Ｌが発光し、受光部１２０で受光されると、制御部１６０は光検出部１３０を介して分割された空間の個数にそれぞれ対応する次の９個の線形の一次多元方程式を前記数６から生成させることができる。

【0074】

Ａ_Ｓ１＝ ＰＳ_１（Ｔ_１）Ｘ_１ｌ_１＋ ＰＳ_１（Ｔ_４）Ｘ_４ｌ_２＋ ＰＳ_１（Ｔ_５）Ｘ_５ｌ_３＋ ＰＳ_１（Ｔ_６）Ｘ_６ｌ_２＋ ＰＳ_１（Ｔ_９）Ｘ_９ｌ_１

【0075】

Ａ_Ｓ２＝ ＰＳ_１（Ｔ_１）Ｘ_１ｌ_４＋ ＰＳ_１（Ｔ_２）Ｘ_２ｌ_５＋ ＰＳ_１（Ｔ_５）Ｘ_５ｌ_５＋ ＰＳ_１（Ｔ_６）Ｘ_６ｌ_４

【0076】

Ａ_Ｓ３＝ ＰＳ_１（Ｔ_１）Ｘ_１ｌ_６＋ ＰＳ_１（Ｔ_２）Ｘ_２ｌ_６＋ ＰＳ_１（Ｔ_３）Ｘ_３ｌ_６

【0077】

Ａ_Ｓ４＝ ＰＳ_１（Ｔ_４）Ｘ_４ｌ_４＋ ＰＳ_１（Ｔ_５）Ｘ_５ｌ_５＋ ＰＳ_１（Ｔ_８）Ｘ_８ｌ_５＋ ＰＳ_１（Ｔ_９）Ｘ_９ｌ_４

【0078】

Ａ_Ｓ５＝ ＰＳ_１（Ｔ_４）Ｘ_４ｌ_６＋ ＰＳ_１（Ｔ_５）Ｘ_５ｌ_６＋ ＰＳ_１（Ｔ_６）Ｘ_６ｌ_６

【0079】

Ａ_Ｓ６＝ ＰＳ_１（Ｔ_４）Ｘ_４ｌ_４＋ ＰＳ_１（Ｔ_５）Ｘ_５ｌ_５＋ ＰＳ_１（Ｔ_２）Ｘ_２ｌ_５＋ ＰＳ_１（Ｔ_３）Ｘ_３ｌ_４

【0080】

Ａ_Ｓ７＝ ＰＳ_１（Ｔ_７）Ｘ_７ｌ_６＋ ＰＳ_１（Ｔ_８）Ｘ_８ｌ_６＋ ＰＳ_１（Ｔ_９）Ｘ_９ｌ_６

【0081】

Ａ_Ｓ８＝ ＰＳ_１（Ｔ_７）Ｘ_７ｌ_４＋ ＰＳ_１（Ｔ_８）Ｘ_８ｌ_５＋ ＰＳ_１（Ｔ_５）Ｘ_５ｌ_５＋ ＰＳ_１（Ｔ_６）Ｘ_６ｌ_４

【0082】

Ａ_Ｓ９＝ ＰＳ_１（Ｔ_７）Ｘ_７ｌ_１＋ ＰＳ_１（Ｔ_４）Ｘ_４ｌ_２＋ ＰＳ_１（Ｔ_５）Ｘ_５ｌ_３＋ ＰＳ_１（Ｔ_６）Ｘ_６ｌ_２＋ ＰＳ_１（Ｔ_３）Ｘ_３ｌ_１

【0083】

制御部１６０は、前記方程式を演算し、ｎ^２個の第１の線強度変化ａ_ｉ＝Ｓ_ｉ（Ｔ_ｉ）Ｘ_ｉを求めることができ、その解は次のように表現されることができる。

【0084】

Ｓ_１（Ｔ_１）Ｘ_１ ＝ ａ_１， Ｓ_１（Ｔ_２）Ｘ_２ ＝ ａ_２．．．．．Ｓ_１（Ｔ_９）Ｘ_９ ＝ ａ_９

【0085】

このとき、温度Ｔ_ｉを求めるためには、また別の波長の吸収信号が必要である。

【0086】

このために、段階２０で発光して受光されるレーザー光は、波長可変形のレーザー光になるようにし、波長帯域が互いに相違する二つのレーザー光が同時に発光及び受光されるようにしたり、互いに相違する波長帯域を有する二つのレーザー光がそれぞれ一度ずつ別に発光及び受光されるようにすることもできる。

【0087】

さらに具体的に、制御部１６０は、また別の波長のレーザー光の発光及び受光を介して、段階２０から段階４０まで再度行って、また別の波長の一次元的吸収信号から前記数６を介して、線強度変化を演算処理し、また別の波長帯域の第２の線強度変化ｂ_ｉ＝Ｓ_２（Ｔ_ｉ）Ｘ_ｉを求めることになるが、その解は次のように表現されることができる。

【0088】

Ｓ_２（Ｔ_１）Ｘ_１ ＝ ｂ_１， Ｓ_２（Ｔ_２）Ｘ_２ ＝ ｂ_２．．．．．Ｓ_２（Ｔ_９）Ｘ_９ ＝ ｂ_９

【0089】

つまり、制御部１６０は、第１の線強度変化ａ_ｉ＝Ｓ_ｉ（Ｔ_ｉ）Ｘ_ｉと、第２の線強度変化ｂ_ｉ＝Ｓ_２（Ｔ_ｉ）Ｘ_ｉを有し、二次元的に分割された測定対象空間２０の区間毎の温度を次の関数式から算出し、測定対象空間２０の二次元的温度分布をマッピング（ｍａｐｐｉｎｇ）する（Ｓ５０）。

【0090】

【数7】

【0091】

これによって、制御部１６０が段階５０で数１７を介して二次元的に分割された測定対象空間２０の区間毎にそれぞれの温度と温度の位置をリアルタイムで算出できるようになるため、温度分布を予め予測するのではなく、実際の測定対象空間をダイオードレーザーで一次元的に測定し、測定対象ガスの二次元的な温度分布を把握するようにすることによって、測定の誤差が最小化となり、正確な測定が行われるようにできる。

【0092】

また、段階５０でマッピングされた二次元的温度分布に基づき、制御部１６０は二次元的に分割された測定対象空間２０の区間毎に測定対象ガスのモル分率（ｍｏｌｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ）を算出し、二次元的濃度分布をマッピングする（Ｓ６０）。

【0093】

即ち、制御部１６０は、段階５０で温度が求められると、それぞれの線強度変化Ｓ_ｉ（Ｔ_ｉ）Ｘ_ｉの解に求められた温度を代入し、モル分率Ｘ_ｉを求めることによって、二次元的に分割された測定対象空間２０の区間毎にそれぞれの濃度と濃度の位置をリアルタイムで算出できる。

【0094】

例えば、段階５０で温度が求められると、Ｓ_１（Ｔ_ｉ）の値と Ｓ_２（Ｔ_ｉ）の値が定められるため、制御部１６０は次の式によりモル分率Ｘ_ｉの値を求めることができる。

【0095】

Ｘ_ｉ＝ａ_ｉ／Ｓ_１（Ｔ_ｉ）ｏｒＸ_ｉ＝ｂ_ｉ／Ｓ_２（Ｔ_ｉ）

【0096】

これによって、ダイオードレーザーを用いて一次元的にのみ測定し、二次元の測定が不可能な空間内のガスの温度及び濃度分布を二次元的にマッピングできるようになることで、測定空間の制約なく、二次元の測定が難しい製鉄所の加熱炉のような構造物内でもガスの温度及び濃度分布を容易に測定することができ、測定対象空間２０内で測定対象ガスの温度分布及び濃度分布の位置が二次元的に正確に把握されるようにすることができる。

【0097】

一方、本発明よる三次元的ガス温度分布測定方法は、二次元的ガス温度分布測定方法を拡張し、図５及び図６に図示された通り、一次元の計測を介して三次元での温度及び濃度分布をマッピングするためのものであって、本発明による三次元的ガス温度分布測定方法を図５乃至図７を参照にして説明すると次の通りである。

【0098】

まず、三次元的に分割される測定対象空間２０の区間の個数が入力部１６１を介して入力されると、測定対象ガスが存在する測定対象空間２０を制御部１６０が仮想的に分割する（Ｓ１００）。

【0099】

このとき、本発明の一実施例として、図５に図示された通り、制御部１６０により三次元的に分割される測定対象空間２０は、ｎ^３個の互いに等しい体積を有する区間に分けられるように分割されることが好ましい。ここで、ｎは自然数である。即ち、測定対象空間２０は、制御部１６０により８個、２７個、６４個等のように三次元的に分割される。

【0100】

これによって、吸光度の広さを求める数６での未知数Ｔ_ｉ、Ｘ_ｉの個数と吸光度の広さの演算個数が同じくなり、未知数の個数と方程式の個数が同じくなることによって、制御部１６０が測定対象空間２０内での温度分布と濃度分布を三次元的に容易に求めることができる。

【0101】

本発明の一実施例として、図５に図示された通り、測定対象空間２０は、制御部１６０により３３＝２７個と三次元的に分割され、２７個の互いに等しい体積を有する区間に分けられたものとする。

【0102】

次に、図６に図示された通り、段階１０で三次元的に分割された測定対象空間のうち、発光側の最外郭に位置されたｎ^２個（例えば、ｎ＝３）の分割空間Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_１０、Ａ_１１、Ａ_１２、Ａ_１９、Ａ_２０、Ａ_２１の何れか一つ（例えば、Ａ_２）の発光点１１０ａから受光側の最外郭に位置されたそれぞれの分割空間Ａ_７、Ａ_８、Ａ_９、Ａ_１６、Ａ_１７、Ａ_１８、Ａ_２５、Ａ_２６、Ａ_２７のうち同一の高さにあるｎ個の受光点１２０ａに向いて１：ｎに対応する方式で発光側に該当するそれぞれの分割されたｎ^２個の空間の区間毎に残りの領域Ａ_１、Ａ_３、Ａ_１０、Ａ_１１、Ａ_１２、Ａ_１９、Ａ_２０、Ａ_２１でもそれぞれ発光部１１０からレーザー光Ｌを発光させて受光部１２０で受光し、直線形態の一次元的吸収信号を検出する（Ｓ２００）。

【0103】

このとき、本発明の一実施例として、発光点１１０ａは、発光部１１０が移動または配置されてレーザー光Ｌが発振する位置であって、三次元的に分割された測定対象空間のうち発光側の最外郭に位置された各分割空間の最外郭の境界面の中心部に該当し、受光点１２０ａは、受光部１２０が移動又は配置されてレーザー光Ｌが吸収される位置であって、三次元的に分割された測定対象空間のうち受光側の最外郭に位置された各分割空間の最外郭の境界面の中心部に該当するようにすることが好ましい。即ち、レーザー光Ｌは、発光側の最外郭の各分割空間の中心から受光側の最外郭の各分割空間の中心に向いて発光して受光されるようにすることが好ましい。

【0104】

段階２００で発光部１１０から発光したレーザー光Ｌを受光部１２０で受光して一次元的吸収信号を検出すると、受光部１２０で検出された一次元的吸収信号に基づき、制御部１６０は光検出部１３０を介して直接吸収分光技法でｎ^３個の吸光度の広さを演算する（Ｓ３００）。

【0105】

段階３００で光検出部１３０を介して吸光度の広さが演算されると、制御部１６０は演算された吸光度の広さに基づき、三次元的に分割された測定対象空間２０の区間毎にレーザー光Ｌのｎ^３個の線強度変化を演算する（Ｓ４００）。

【0106】

本発明による三次元的ガス温度分布測定方法で制御部１６０が演算するレーザー光の線強度変化Ｓ_ｉ［Ｔ（ｘ）］は、二次元的ガス温度分布測定方法と同じように、前記数６から演算されることが好ましい。

【0107】

即ち、ｎ^３個と三次元的に分割された測定対象空間２０の分割された空間にそれぞれ対応するように制御部１６０はｎ^３個の方程式を生成し、図６に図示された通り、それぞれの分割された空間を通過するレーザー光が通る長さｌ_ｉを幾何学的に算出することによって、二次元的ガス温度分布測定方法と同じ方法で測定対象空間２０の温度及び濃度分布を三次元的にマッピングすることができる。

【0108】

さらに具体的に、受光部１２０に向いて１：ｎに対応するようにそれぞれの方向にレーザー光Ｌが発光して受光部１２０で受光されると、制御部１６０は光検出部１３０を介して分割された空間の個数にそれぞれ対応する２７個の線形の一次多元方程式を前記数６から生成させることができる。

【0109】

これによって、制御部１６０は、ｎ^３個の第１の線強度変化ａ_ｉ＝Ｓ_１（Ｔ_ｉ）Ｘ_ｉを求めることができ、その解は次のように表現されることができる。

【0110】

Ｓ_１（Ｔ_１）Ｘ_１＝ａ_１，Ｓ_１（Ｔ_２）Ｘ_２＝ａ_２．．．．．Ｓ_１（Ｔ_２７）Ｘ_２７＝ａ_２７

【0111】

このとき、温度Ｔ_ｉを求めるためには、また別の波長の吸収信号が必要である。

【0112】

このために、段階２００で発光して受光されるレーザー光は、波長可変形のレーザー光になるようにし、波長帯域が互いに相違する二つのレーザー光が同時に発光及び受光されるようにしたり、互いに相違する波長帯域を有する二つのレーザー光がそれぞれ一度ずつ別に発光及び受光されるようにすることもできる。

【0113】

さらに具体的に、制御部１６０は、また別の波長のレーザー光の発光及び受光を介して段階２００から段階４００まで再度行って、また別の波長の一次元的吸収信号から前記数６を介して線強度変化を演算処理し、また別の波長帯域の第２の線強度変化ｂ_ｉ＝Ｓ_２（Ｔ_ｉ）Ｘ_ｉを求めることになるが、その解は次のように表現されることができる。

【0114】

Ｓ_２（Ｔ_１）Ｘ_１＝ｂ_１，Ｓ_２（Ｔ_２）Ｘ_２＝ｂ_２．．．．．Ｓ_２（Ｔ_２７）Ｘ_２７＝ｂ_２７

【0115】

即ち、制御部１６０は、第１の線強度変化ａ_ｉ＝Ｓ_１（Ｔ_ｉ）Ｘ_ｉと、第２の線強度変化ｂ_ｉ＝Ｓ_２（Ｔ_ｉ）Ｘ_ｉを有し、三次元的に分割された測定対象空間２０の区間毎の温度を前記数１７から算出し、測定対象空間２０の三次元的温度分布をマッピングする（Ｓ５００）。

【0116】

これによって、制御部１６０が段階５００で数１７を介して三次元的に分割された測定対象空間２０の区間毎にもそれぞれの温度と温度の位置をリアルタイムで算出できるようになるため、温度分布を予め予測するのではなく、実際の測定対象空間をダイオードレーザーで一次元的に測定し、測定対象ガスの三次元的な温度分布を把握するようにすることによって、測定の誤差が最小化となり、正確な測定が行われるようにできる。

【0117】

また、段階５００でマッピングされた三次元的温度分布に基づき、制御部１６０は三次元的に分割された測定対象空間２０の区間毎に測定対象ガスのモル分率を算出し、三次元的濃度分布をマッピングする（Ｓ６００）。

【0118】

即ち、制御部１６０は、段階５００で温度が求められると、それぞれの線強度変化Ｓ_１（Ｔ_ｉ）Ｘ_ｉの解に求められた温度を代入し、モル分率Ｘ_ｉを求めることによって、三次元的に分割された測定対象空間２０の区間毎にもそれぞれの濃度と濃度の位置をリアルタイムで算出できる。

【0119】

これによって、ダイオードレーザーを用いて、一次元的にのみ測定して三次元の測定が不可能な空間内のガスの温度及び濃度分布を三次元的にマッピングできるようになることで、測定空間の制約なく、三次元の測定が難しい製鉄所の加熱炉のような構造物内でもガスの温度及び濃度分布を容易に測定することができ、測定対象空間２０内で測定対象ガスの温度分布及び濃度分布の位置が三次元的に正確に把握されるようにすることができる。

【0120】

よって、本発明によると、二次元又は三次元の測定が不可能な空間内のガスの温度及び濃度分布をダイオードレーザーを用いて一次元的にのみ測定し、二次元又は三次元的にマッピングできるようになることで、測定空間の制約なく、二次元又は三次元の測定が難しい製鉄所の加熱炉のような構造物内でもガスの温度及び濃度分布を容易に測定することができ、測定対象空間内で測定対象ガスの温度分布及び濃度分布の位置が二次元又は三次元的に正確に把握されるようにすることができる。

【0121】

前記によって説明され添付された図面でその技術的な面が記述されているが、本発明の技術的な思想はその説明のためのものであり、その制限を置くわけではなく、本発明の技術分野で通常の技術的な知識を有する者は、本発明の技術的な思想を以下で後述される特許請求範囲に記載の技術領域から外れない範囲内で、本発明を多様に修正及び変更させることができるということを理解できるであろう。

【符号の説明】

【0122】

１１０ 発光部
１２０ 受光部
１３０ 光検出部
１６０ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】